[信息与通信]一种基于zigbee的无线传感网实验系统的设计与实现.doc
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1、分 类 号 学 号 M200971561 学校代码 10487 密 级 硕士学位论文基于Zigbee无线传感网实验系统设计与实现学位申请人:刘伟超学科专业:通信与信息系统指导教师:汪小燕 教授答辩日期:2011年12月II A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringDesign and Realization of Wireless Sensor Network Experimental System Based on ZigBeeCan
2、didate:Liu WeichaoMajor:Communication & Information SystemSupervisor:Prof. Wang XiaoyanHuazhong University of Science & TechnologyWuhan 430074, P.R.ChinaDecember, 2011独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法
3、律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密,在 年解密后适用本授权书。本论文属于 不保密。(请在以上方框内打“”)学位论文作者签名: 指导教师签名:日期: 年 月 日 日期: 年 月 日32摘 要本文论述了基于zigbee协议的无线传感网教学实验系统的发展现状,综合考虑国内外现有的产
4、品及特点,提出了一个基于CC2430芯片和Zstack协议栈的多功能无线传感网教学实验系统。本文详细介绍了系统的硬件组成及软件设计。硬件平台分为网关和终端节点,网关由核心板和LCD,键盘,存储等功能的扩展板组成,终端节点主要由TI公司的CC2430射频模块和I2C总线接口的数字传感器组成。网关作为zigbee网络中的协调器主要负责建立网络,管理和维护网络节点,终端节点通过数字传感器对温湿光强等数据进行采集,然后无线传输或转发。通过更换核心板可以实现MSP430,51单片机的教学实验目的。软件设计包括基于Zstack协议栈网络的建立和维护,对各节点上传感器的命令控制,以及各传感器采集程序。通过对
5、整个系统的功能与性能测试,表明系统基本能满足zigbee实验系统的需求。关键词:无线传感网;zigbee;实验;CC2430AbstractKeywords:目录1. 绪论1.1 研究背景21世纪以来,科学技术的发展速度十分迅猛,而作为信息获取最重要和最基本的技术传感器技术,也得到了极大的发展。上世纪九十年代末无线传感器网络(wireless sensor network WSN)开始在美国初见雏形,它是由大量的传感器节点以自组织多跳的方式构成,感知和采集区域内目标信息,然后传输给用户的一种无线网络。鉴于其多跳自组织性,廉价,便于大规模部署等特点,使之广泛应用在医疗,军事,工业,物流等领域。无
6、线传感器网络也被称物联网。在当下的信息化社会仍然是个炙手可热的话题。因此对无线传感网的研究开发工作和相关的高等教育课程也得到了很大的热捧。为了满足广大的WSN(Wireless Sensor Network)热衷者和相关院校学生需求,无线传感网的实验系统产品由此而诞生。无线传感网实验系统的目标人群都是高校学生和一些热爱无线传感网的开发者,因此WSN实验系统能很好的提供给初学者一个学习无线传感网的硬件和软件平台。通过此平台,使用者可以能逐步由浅入深的掌握无线传感网的相关开发和学习,对以后从事该领域工作也有帮助45。当前市场上有关无线传感网开发的实验系统产品已有不少,国内外的产品都用,可以用琳琅满
7、目来形容,我们对市场现有的产品进行了广泛调查,发现大部分产品综合质量参差不齐,下载仿真过程复杂,而且功能普遍单一,无法在很好的全面的满足研究开发的同时,减少开发的成本。为了弥补当前市场上同类产品的不足,本课题所设计的是一种基于Zigbee技术的无线传感网实验系统678。短距离通信的协议标准有很多,如Bluetooth,WiFi,超宽带通信UWB,Zigbee等,每种技术都有其特点和适用范围。Zigbee协议是基于IEEE 802.15.4标准的短距离,低成本,低功耗,自组织的无线网络技术,相对于其他短距离通信技术,Zigbee协议实现的硬件要求更低,只需要8位的处理器即可,协议栈所需空间最小大
8、约4KB,价格更低廉。并且还具有较高的安全性和可靠性。因此对于大范围区域部署的应用场景,Zigbee技术拥有一定的优势。1.2 国内外研究现状WSN(Wireless Sensor Network)最初的构想是来源于美国军方,美国国防部高级研究所计划署(DARPA)于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究,这被看成是无线传感网的雏形121314。从那以后,WSN呈现了井喷式的发展,1999年2001年间DARPA资助加州大学伯克利分校承担了Smart Dust项目,而后又资助了包括伯克利分校等25个机构联合承担了SensIT计划。2004年在美国国家自然基金、国家健康协会
9、的资助下,哈佛大学启动了CodeBule平台研究计划。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作15。欧洲2002年也启动了EYES研究计划16。除了在高校快速被推广研究外,其巨大应用前景和商业价值也得到了许多商家的青睐,英特尔公司2002年10月24日发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”,规划称其将致力传感器网络在医学、环境监测、森林灭火以致海底板块调查等领域的应用。德州仪器、飞思卡尔、捷力、意法半导体等厂商也相继推出了各自的解决方案,并开始应用在智能家居、物流管理、餐饮服务等更贴近日常生活的环境中。在国内,相对而言WSN技术起步稍晚,但在国家政策的大
10、力支持下,得到了突飞猛进的发展。1999年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中,无线传感网是提出的五个重大项目之一。2004年中国国家自然基金委员会就将无线传感网络列为了重点研究项目。2005我国开始传感网标准化研究工作,国家中长期科学与技术发展规划纲要(20062020)在支持的重点领域及其优点主题“信息产业及现代服务业”中列入“传感器网络及智能信息处理”,并在前沿技术中重点支持“自组织传感器网络技术”。在2008年9月启动的国家16个重大专项立项中,就有短距离无线互联和传感器网络的研发。我国虽然在无线传感器网络方面的研究起步稍微比较慢,但近年来在此领域的人力财
11、力投资也是相当巨大的2829。1.3 本文主要内容及章节安排本文以基于zigbee无线传感网实验系统硬件设计软件设计主要内容。本文的内容按章节安排如下:第1章主要介绍了论文的研究背景,无线传感网在国内外各领域上发展历史和现状。第2章:首先介绍了现有的各种短距离通信技术的特点,并与Zigbee技术进行比较,分析各个技术的优缺点和应用场景。然后根据系统的需求对现有的Zigbee技术的软硬件方案进行选型。最后阐述本实验系统的总体设计框架及结构组成。第3章:详细介绍实验系统的硬件各部分的组成,分别描述协调器网关,路由节点,和终端节点的硬件设计方案,突出设计的关键技术和创新点。第4章:详细介绍实验系统软
12、件设计的流程及各模块的功能。第5章:对整个系统进行测试,展现各个模块测试的指标。第6章:对全文做了一个总结,指出设计过程中遇到的问题,及演示的结果,对不足指出,提出改进的设想。2. 系统的关键技术及需求本章主要介绍了Zigbee无线传感网实验系统所涉及的关键技术,阐述本实验系统的设计需求,根据需求选择现有的Zigbee的解决方案,最后给出整个实验系统的总体设计框架。2.1. Zigbee技术介绍2.1.1. ZigBee起源2001年8月,Zigbee联盟成立,1年以后英国Invensys、日本三菱、美国摩托罗拉及荷兰飞利浦半导体四家半导体巨头宣布加入ZigBee联盟,致力于开发以Zigbee
13、为名的新兴短距离、低速率D无线通信技术,2004年12月,ZigBee1.0版协议诞生。Zigbee名称其实来源于蜜蜂的舞蹈,蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享花粉或食物的位置、距离和方向,其很形象的描述了ZigBee网络的自组织、分布式等特点。到目前为止,该联盟拥有70余家成员企业,并在快速的壮大。其中有传统的半导体生产商、IP技术服务商、软件开发商、OEM厂商、工业控制制造商、消费电子厂商等。(Zigbee网络原理与应用开发,吕治安)。2.1.2. ZigBee主要特点每种无线通信技术都有自身的特点,并根据其特点拥有各自的适用领域。Zigbee主要特点是低速率、低功耗、低成本、短距离等
14、,具体如下:1. 低速率Zigbee 一共占有三个公共频段,分别是868MHz、915MHz、2.4GHz。当处于2.4G频段时,速率最高仅为250Kbit/s,而且这仅仅是链路层上的速率,剥去各层的帧头帧尾和应答帧等消耗,真正被利用的速率其一半不到,因此Zigbee不适用于高保真语言和视频等大数据量的传输。2. 低功耗这是Zigbee技术的一大优势,正常工作下的工作电流为10mA30mA。一般情况下Zigbee节点所承载的数据量比较小,因此可以在不进行无线数据收发时,节点可以进入休眠状态,这时的功耗可达到正常工作状态下的千分之一。通常情况下,休眠的时间会占多数,节能效果十分的明显。3. 低成
15、本Zigbee设备简单,多家厂商提供了MCU+RF单芯片解决方案,使得元件成本进一步降低,而且大部分协议栈是免费开源的,不需要支付专利费用。Zigbee使用的频段为ISM工业科学医疗频段,是免执照频段。4. 延时短Zigbee设备的响应速度极快,通常情况下从睡眠模式进入到正常工作模式只需要15ms,节点从发现网络到加入网络只需30ms。而蓝牙则需要310s,WIFI至少需要3s。处于信道质量突变的环境时,Zigbee快速加入网络的特点,能一定程度的保证数据链路的可靠性。5. 网络设备容量大Zigbee的拓扑结构星状,树状和网状,一个父节点管理和维护若干个子节点,最多可以接受254个子节点,根据
16、网络层次的不同,一个网络最多可以容纳65000个节点。这一特点使得Zigbee技术能适用于需要大面积部署的环境。6. 安全性高Zigbee数据包无线传输采用了AES-128的加密算法,并可以设置接入控制清单(ACL)防止非法节点进入。2.1.3. Zigbee与其他短距离通信技术的比较目前,短距离通信技术一直是业内谈论的焦点,在消费电子,工业控制领域应用十分的广泛,特别是近两年内个人移动终端产品功能的提升及广泛的普及,许多消费娱乐功能都需要使用短距离无线技术,比较热门的如蓝牙、WIFI、红外以及刚兴起的NFC技术等。下面简单介绍市面上常用的短距离通信技术与Zigbee技术的有缺点比较。1. W
17、i-FiWIFI是IEEE定义的一个无线网络通信工业标准(IEEE 802.11)。第一个版本是1997年提出来的,定义了MAC层和物理层的规范。规范定义了其工作的频段为2.4GHz,最初的速率设计是2Mb/s,后来通过不断推出新版本的规范,定义的最高速率相应的提升,从802.11a的54Mb/s到802.11n版本的540Mb/s。WIFI的数据传输速率和通信距离相对于Zigbee而已是个优势,一般的WIFI设备通信距离能达到300m400m左右,最新的设备据悉能达到5km以上。但因此的代价是功耗就比较大,所以对于移动设备,若无十分大的速率需求,可不必采用WIFI技术。2. Bluetoot
18、h蓝牙(Bluetooth)是1994年有爱立信首先提出的一种短距离无线通信技术规范,现在被归为IEEE 802.15.1协议,它采用FHSS扩频方式,工作在2.4GHz频段,信道带宽为1MHz,最高传输速率为1Mb/s,采用1600跳/s的跳频的工作方式以提高抗干扰能力,通信距离很有限,一般为10m左右,但最新的蓝牙4.0协议能达到100m以上的通信距离。与Zigbee相比较,它的协议栈需要250KB的空间,复杂程度比Zigbee高,通信距离比Zigbee低,但速率是个优势,再加上推广的时间长,使其现在被广泛应用在居家电器,移动终端,游戏娱乐等领域。3. RFID 和NFCRFID(Radi
19、o Frequency Identification)是上世纪90年代兴起的一种非接触式的自动识别技术,又称为电子标签、无线射频识别,可通过无线识别特定的目标并读写数据。被应用于物流、零售、资产管理、医疗等。近距离无线传输NFC(Near Field Communication)由飞利浦、诺基亚和索尼三家公司共同开发的一种非接触式识别和互联技术。它与RFID类似,但NFC采用了双向识别和链接,传输距离比RFID短。NFC安全性较高,现在许多手机内置NFC芯片,用于银行卡支付。4. UWB超宽频技术(UWB)是一种无载波通信技术,利用纳秒级得非正弦波窄脉冲传输数据。它不采用正弦载波,因此其占用的
20、频带范围很宽,UWB可在很宽的宽带上传输信号,美国的FCC对UWB的规定为:3.1G10.6G间占用500MHz以上的带宽。UWB技术最初是被应用于军方雷达上,2002年美国FCC批准其能进入民用市场,而后UWB技术得到了快速的发展。它拥有看抗干扰性强、传输速率高、系统容量大的特点,现主要应用于视频消费娱乐方面的无线个人局域网。5. 6LoWPAN在大型的无线传感网中,部署了数量极为庞大的传感器节点,每个节点需要分配一个单独的IP地址,在IEEE 802.15.4上使用的是IPv4,很可能无法满足其要求,而6LoWPAN则可以突破这一瓶颈。6LoWPAN技术以IEEE 802.15.4为底层,
21、在网络层中使用IPv6来分配IP地址,完全能满足节点数量庞大网络的需求。6LoWPAN底层与Zigbee技术一样,在IEEE 802.15.4的PHY层和MAC层标准的基础上定义了上层标准。作为短距离、低速率、低功耗的新兴技术,拥有廉价便捷等特点外,还突破了IPv4的IP地址受限的瓶颈,对于密集分布、网络庞大的环境都可以使用6LoWPAN技术。目前6LoWPAN技术还处于研发阶段,还未见真实应用的报道。2.2. ZigBee协议规范2.2.1. Zigbee协议规范介绍IEEE 802.15.4是低速率无线个人局域网的物理层和介质加入控制层的协议标准,由IEEE 802.15工作组维护,该工作
22、组还维护其他的短距离通信协议,如IEEE 802.15.1标准,其就是被广泛运用的蓝牙技术。IEEE 802.15.3标准是高速无线个人局域网标准,应用于多媒体数据的高速传输。IEEE 802.15.4它为个人局域网提供一个基础底层,实现一个成本低,速率低得通信网络,该协议具有载波监听多路访问/冲突避免(CSMA-CA)机制,可以在MAC层避免数据冲突。它是许多无线技术的底层标准,如Zigbee、WirelessHART和MiWi标准,这些标准以IEEE 802.15.4为底层(物理层和MAC层)基础,然后扩展其没有定义的上层协议来提供一个完整的网络协议解决方案。1. 物理层IEEE 802.
23、15.4定义的物理层提供了物理层数据服务和物理层管理服务,能通过无线信道发送和接收物理层协议数据单元(PPDU)。物理层主要的功能是管理无线收发器、能量检测、链路质量检测、空闲信道评估和信道的选择等。该协议使用了三个频段,分别是868MHz868.6MHz(欧洲),902MHz928MHz(北美),2400MHz2483.5MHz(全球),在868MHz/915MHz频段上采用二进制移相键控(BPSK)的直接序列扩频(DSSS)调制方式,在2.4G频段上采用16相位正交调制技术。IEEE 802.15.4一共定义了27个信道,868MHz频段上定义了1个,915MHz频段定义了10个,2.4G
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